一种异质结构谷光子晶体漏波天线

本技术涉及毫米波天线与电磁波导，尤其是涉及一种异质结构谷光子晶体漏波天线。

背景技术：

1、漏波天线（leaky-wave antenna, lwa）是利用导波结构中传输的行波逐渐向自由空间泄漏辐射的一类行波天线。由于其主波束指向可以随工作频率的变化而连续偏转，漏波天线能够在无需复杂的移相网络或机械扫描结构的条件下实现波束扫描（即频扫功能），因此在毫米波通信、车载雷达、成像雷达及无线感知等现代无线通信系统中具有重要的应用价值。

2、在毫米波频段，现有的漏波天线通常基于开槽波导、基片集成波导（substrateintegrated waveguide, siw）或人工表面等离激元（spoof surface plasmonpolaritons, sspp）等结构实现。然而，在上述传统结构中，导波模式的色散调控与辐射槽的加载设计往往相互耦合。具体而言，辐射槽的开设不仅决定了天线的泄漏辐射强度，还会显著改变导波结构的等效阻抗和色散曲线。这种强耦合效应使得设计人员难以在保持低损耗传输的同时，独立地优化天线的波束扫描线性度、扫描角度范围以及辐射效率等关键指标。此外，基于介质基片的集成波导天线在毫米波高频段还面临着介质损耗大、加工精度要求苛刻、散热困难以及装配容差敏感等瓶颈，难以兼顾紧凑性、低损耗与复杂加工条件下的性能稳定性。

3、近年来，间隙波导（gap waveguide）技术为毫米波天线设计提供了新的思路。间隙波导通常由下金属板、上金属板以及设置于下金属板上的金属针柱阵列构成，电磁波在上下金属板之间的空气间隙中传输。由于避免了介质材料，间隙波导具有极低的介质损耗，且其全金属结构非常适合于毫米波频段的高精度机械加工，同时具备装配容差相对友好、散热性能优异以及适于高功率应用等优点。另一方面，谷光子晶体（valley photoniccrystal, vpc）作为拓扑光子学的重要分支，通过引入反演对称性破缺可以在周期结构中打开拓扑带隙，并在具有相反谷拓扑相（valley hall topology）的不同光子晶体区域交界处产生受拓扑保护的边缘态。这种拓扑边缘态具有色散可调、对局部结构缺陷不敏感以及背散射抑制等优异特性，为构建高性能、高鲁棒性的微波与毫米波导波结构提供了理想的载体。

4、尽管间隙波导和谷光子晶体各自在电磁波导领域展现出了巨大的潜力，但如何在间隙波导平台上有效构建具有可调色散特性的谷拓扑导波通道，并将该导波通道内的慢波边缘态高效地转化为自由空间辐射，仍然是本领域亟待解决的技术难题。现有技术中尚缺乏一种能够将异质结构谷光子晶体的色散调控与周期槽泄漏辐射有机结合，从而将导波色散设计与辐射结构分离，进而实现低损耗、结构紧凑、易于加工且具备优异波束扫描能力的毫米波漏波天线。

技术实现思路

1、为了改善传统漏波天线中导波色散与辐射结构耦合度高、紧凑性不足以及复杂加工条件下传输与辐射性能难以兼顾的问题，本技术提供一种异质结构谷光子晶体漏波天线。

2、本技术提供的一种异质结构谷光子晶体漏波天线采用如下的技术方案：

3、一种异质结构谷光子晶体漏波天线，包括自上而下依次设置的上金属板、空气间隙层和下金属板，所述下金属板的上表面固定有金属针柱阵列；

4、所述金属针柱阵列中形成有异质结构导波通道，所述异质结构导波通道包含第一谷光子晶体区域、拓扑平庸区域和第二谷光子晶体区域，其中所述第一谷光子晶体区域与第二谷光子晶体区域具有相反的谷拓扑相，所述拓扑平庸区域位于所述第一谷光子晶体区域与第二谷光子晶体区域之间；

5、所述上金属板开设有沿所述异质结构导波通道延伸方向呈周期性排布的辐射槽阵列，所述辐射槽阵列用于将所述异质结构导波通道的边缘态耦合为向自由空间辐射的空间谐波；

6、所述异质结构导波通道的至少一端设置有馈电过渡结构，用于将外部波导模式耦合至所述异质结构导波通道的边缘态。

7、本技术的发明构思在于：利用“拓扑-平庸-拓扑”的异质结构在间隙波导平台上构造出可控的边缘态慢波导行，并通过上金属板的周期辐射槽将该慢波转化为空间谐波辐射。该方案的核心有益效果是：将导波通道的色散调控与上金属板辐射槽的泄漏调控完全分离，设计人员可以独立地优化波束扫描规律和辐射强度；同时，采用空气间隙传输电磁波，避免了介质基片带来的损耗，结构紧凑且易于全金属加工，特别适于毫米波频段应用。

8、进一步地，所述第一谷光子晶体区域和第二谷光子晶体区域均采用六角晶格排布的金属针柱单元，每个金属针柱单元内包含大直径金属针柱和小直径金属针柱；所述第一谷光子晶体区域中大小直径金属针柱的空间分布，与所述第二谷光子晶体区域中大小直径金属针柱的空间分布关于所述拓扑平庸区域呈镜像对称，或互为空间反演，从而使两者具有相反的谷拓扑相。

9、优选的，所述金属针柱阵列的晶格常数为4.5mm；所述金属针柱的高度为2.0mm；所述空气间隙层的高度为0.4mm；所述大直径金属针柱的直径为1.4mm，所述小直径金属针柱的直径为0.6mm。

10、利用针柱直径的差异引入能带简并的解除，形成拓扑带隙，并在相反谷拓扑相的界面处产生受拓扑保护的边缘态。该边缘态能流集中沿导波通道传播，对局部针柱缺陷具有优异的传输保持能力，且通过调节晶格常数和针柱高度等参数，可方便地将工作频段缩放至目标毫米波频段。

11、进一步地，所述拓扑平庸区域由具有c3旋转对称性的金属针柱单元构成，所述拓扑平庸区域的所有金属针柱直径均相同。

12、优选的，所述拓扑平庸区域的金属针柱直径为1mm。

13、利用间隔距离作为额外的设计自由度，改变异质结构之间的近场耦合强度，从而调控边缘态的色散斜率。该间隔能使色散曲线趋于平坦，获得色散斜率降低的慢波边缘态，为频率扫描天线提供了关键的慢波基础，使天线在频率变化时能实现更显著的波束指向偏转。

14、进一步地，所述拓扑平庸区域与相邻的所述第一谷光子晶体区域或第二谷光子晶体区域之间设有间隔；该间隔被配置为改变拓扑平庸区域与两侧谷光子晶体区域之间的模态耦合路径，以使导波通道内的边缘态色散曲线趋于平坦，从而获得慢波特性。

15、优选的，所述间隔的距离为1.3mm。

16、进一步地，所述辐射槽阵列包括多个槽单元，相邻槽单元沿传播方向的周期为p；基模边缘态经所述周期p扰动后产生多个floquet空间谐波，当第n阶空间谐波的相位常数βn满足|βn|

17、优选的，所述周期p为所述晶格常数的1.35倍。

18、通过周期性的结构扰动，将原本束缚在导波通道内的基模边缘态（慢波）转换为可向自由空间辐射的空间谐波。利用公式|βn|

19、进一步地，利用第一负阶空间谐波实现主波束随频率变化的连续扫描。

20、进一步地，所述辐射槽阵列中的槽单元为叉型槽，所述叉型槽的开口角、周期、槽长及槽宽被配置为调节槽单元与异质结构导波通道之间的耦合强弱及阻抗匹配。

21、优选的，所述叉型槽的开口角为60°；相邻槽单元沿所述传播方向的周期p为6.075mm；所述叉型槽的槽长为4.68mm，槽宽为1.13mm。

22、叉型槽相较于普通直槽能够提供更合适、更均匀的耦合。60°为经优化确定的开口角，有利于改善槽单元与异质结构导波通道之间的耦合及阻抗匹配，有利于维持整体结构的对称性并优化电磁场分布。同时，叉型槽的周期、槽长和槽宽等参数被配置为调节槽与导波通道之间的耦合强弱及阻抗匹配，进而影响天线的增益和波束扫描方向。具体而言，周期主要控制相邻槽之间的相位关系，从而决定主波束指向；槽长和槽宽则主要控制槽的等效电长度和耦合量，若尺寸太小则耦合不足，若尺寸太大则耦合过强，均会导致阻抗匹配恶化和辐射性能下降。通过上述参数的联合优化，本技术为漏波天线提供了额外的设计自由度，使得在目标毫米波频段内能够实现低反射、高效率的频率扫描辐射。

23、进一步地，所述馈电过渡结构包括多个沿传播方向依次排列的阶梯段，各阶梯段在横向尺寸和高度上逐级变化，以将外部矩形波导模式渐变耦合至所述异质结构导波通道的边缘态。

24、优选的，所述阶梯段的数量为四个，所述第一阶梯段与wr-42矩形波导接口匹配，其余阶梯段用于降低模式转换反射。

25、利用多级阶梯的横向尺寸和高度渐变，实现从标准矩形波导（te10模）到拓扑边缘态的平滑模式转换。四个阶梯段的逐级变化能够有效降低模式转换过程中的反射，第一阶梯段与wr-42波导的直接匹配便于系统集成，其余阶梯段则进一步优化了阻抗渐变，提高了馈电效率。

26、进一步地，所述下金属板、上金属板及金属针柱均由铜、铝、铝合金或表面镀覆有导电材料的金属制成，构成全金属间隙波导结构。

27、全金属结构降低了介质损耗，适合于毫米波高频段应用；同时，金属材质便于高精度机械加工和装配，具有良好的散热性能和功率容量，且成本相对较低，适于大规模生产。

28、本技术还提供一种毫米波波束扫描装置，所述毫米波波束扫描装置包含上述异质结构谷光子晶体漏波天线，应用于毫米波通信、车载雷达、成像雷达、无线感知或波束扫描系统。

29、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

30、1.本技术利用具有相反谷拓扑相的谷光子晶体区域与拓扑平庸区域构成异质结构导波通道，并通过调节拓扑平庸区域与相邻谷光子晶体区域之间的间隔，改变拓扑平庸区域与两侧谷光子晶体区域之间的模态耦合路径，使导波通道内的边缘态色散曲线趋于平坦，获得色散斜率降低的慢波特性，为慢波导行和频率扫描提供了额外的设计自由度。

31、2.本技术将异质结构导波通道的色散调控与上金属板辐射槽阵列的泄漏调控相分离，设计人员可以分别独立地优化波束扫描规律和辐射强度，有效改善了传统漏波天线中导波色散与辐射结构耦合度高、难以兼顾低损耗传输与扫描特性的问题。

32、3.本技术采用金属针柱阵列与空气间隙构成全金属间隙波导结构，避免了介质基片带来的介质损耗；同时，全金属材质非常适于毫米波频段的高精度机械加工、装配及散热，且具备装配容差相对友好的特点。

33、4.边缘态主要限制在异质结构导波通道附近，在预定带隙内对局部针柱缺陷具有较好的传输保持能力，保证了天线在复杂加工或装配误差条件下的性能稳定性。

34、5.辐射槽采用叉型槽设计，叉型槽的开口角、周期、槽长及槽宽被配置为调节槽单元与异质结构导波通道之间的耦合强弱及阻抗匹配；60°为经优化确定的开口角，有利于改善槽单元与异质结构导波通道之间的耦合及阻抗匹配。

35、6.馈电过渡结构包括多个沿传播方向依次排列的阶梯段，各阶梯段的横向尺寸和高度沿传播方向逐级变化，能够将外部矩形波导的te10模式渐变耦合至异质结构导波通道的边缘态，降低模式转换反射，使得结构可直接与标准矩形波导或同轴-矩形波导转换结构连接，适于集成式毫米波波束扫描系统。

36、7.在样机测试频段内，利用第一负阶空间谐波实现主波束随频率变化的连续扫描，从而具备频扫波束控制能力，可应用于毫米波通信、车载雷达、成像雷达、无线感知或波束扫描系统。